Pokrok v epitaxnej technológii 200 mm SiC v Taliansku LPE

Zavedenie

SiC je lepší ako Si v mnohých aplikáciách vďaka svojim vynikajúcim elektronickým vlastnostiam, ako je vysoká teplotná stabilita, široký pásový odstup, vysoká intenzita elektrického poľa a vysoká tepelná vodivosť. V súčasnosti sa dostupnosť trakčných systémov elektrických vozidiel výrazne zlepšuje v dôsledku vyšších rýchlostí spínania, vyšších prevádzkových teplôt a nižšieho tepelného odporu tranzistorov s polovodičovým poľom s oxidom kovu SiC (MOSFET). Trh s napájacími zariadeniami na báze SiC sa za posledných niekoľko rokov veľmi rýchlo rozrástol; preto sa zvýšil dopyt po vysokokvalitných, bezchybných a jednotných SiC materiáloch.

Počas niekoľkých posledných desaťročí dodávatelia substrátov 4H-SiC dokázali zväčšiť priemery plátkov z 2 palcov na 150 mm (pri zachovaní rovnakej kvality kryštálov). V súčasnosti je hlavná veľkosť plátku pre zariadenia SiC 150 mm a aby sa znížili výrobné náklady na jednotku zariadenia, niektorí výrobcovia zariadení sú v počiatočnom štádiu zavádzania 200 mm továrne. Na dosiahnutie tohto cieľa je okrem potreby komerčne dostupných 200 mm SiC doštičiek vysoko žiaduca aj schopnosť vykonávať jednotnú SiC epitaxiu. Preto po získaní kvalitných 200 mm SiC substrátov bude ďalšou výzvou vykonanie vysokokvalitného epitaxného rastu na týchto substrátoch. Spoločnosť LPE navrhla a postavila horizontálny monokryštálový teplostenný plne automatizovaný CVD reaktor (označený ako PE1O8) vybavený viaczónovým implantačným systémom schopným spracovať až 200 mm SiC substráty. Tu uvádzame jeho výkon na 150 mm 4H-SiC epitaxii, ako aj predbežné výsledky na 200 mm epiwaferoch.

Výsledky

PE1O8 je plne automatizovaný systém kazety na kastitu určený na spracovanie doštičiek až 200 mm SIC doštičiek. Formát je možné prepnúť medzi 150 a 200 mm, čo minimalizuje prestoje nástrojov. Zníženie štádií vykurovania zvyšuje produktivitu, zatiaľ čo automatizácia znižuje prácu a zlepšuje kvalitu a opakovateľnosť. Na zabezpečenie efektívneho a nákladovo konkurencieschopného procesu epitaxie sa uvádzajú tri hlavné faktory: 1) rýchly proces, 2) vysoká rovnomernosť hrúbky a dopingu, 3) minimalizovaná tvorba defektov počas procesu epitaxie. V PE1O8 malá grafitová hmotnosť a automatizovaný systém nakladania/vykladania umožňujú dokončenie štandardného spustenia za menej ako 75 minút (štandardný recept Schottky Diode 10 μm používa rýchlosť rastu 30 μm/h). Automatizovaný systém umožňuje načítavanie/vykladanie pri vysokých teplotách. Výsledkom je, že časy zahrievania aj chladenia sú krátke, zatiaľ čo už potláčajú krok pečenia. Takéto ideálne podmienky umožňujú rast skutočne nedotknutého materiálu.

Kompaktnosť zariadenia a jeho trojkanálový vstrekovací systém vedie k všestrannému systému s vysokým výkonom v oblasti dopingu a rovnomernosti hrúbky. Toto sa uskutočnilo pomocou simulácií výpočtovej dynamiky tekutín (CFD), aby sa zabezpečilo porovnateľné prúdenie plynu a rovnomernosť teploty pre formáty substrátu 150 mm a 200 mm. Ako je znázornené na obrázku 1, tento nový vstrekovací systém dodáva plyn rovnomerne do centrálnej a bočnej časti usadzovacej komory. Systém miešania plynov umožňuje variáciu lokálne distribuovanej chémie plynu, čím ďalej rozširuje počet nastaviteľných parametrov procesu na optimalizáciu epitaxného rastu.

Obrázok 1 Simulovaná veľkosť rýchlosti plynu (hore) a teploty plynu (dole) v procesnej komore PE1O8 v rovine umiestnenej 10 mm nad substrátom.

Medzi ďalšie vlastnosti patrí vylepšený systém rotácie plynu, ktorý používa algoritmus regulácie spätnej väzby na vyhladenie výkonu a priamo zmerajte rýchlosť rotácie a novú generáciu PID na reguláciu teploty. Parametre procesu epitaxie. V prototypovej komore bol vyvinutý proces epitaxiálneho rastu N-typu 4H-SIC. Trichlorosilalán a etylén sa použili ako prekurzory atómov kremíka a uhlíka; H2 sa použil ako nosný plyn a dusík sa použil na doping typu N. Komerčné 150 mm SIC substráty SIC a substráty s 200 mm SIC sa použili na pestovanie 6,5 μm hrubej 1 x 1016 cm-3 N epilayers 4H-SIC. Povrch substrátu bol leptaný in situ pomocou prietoku H2 pri zvýšenej teplote. Po tomto leptovnom kroku sa vyrovnávacia vrstva typu N-type pestovala pomocou nízkej rýchlosti rastu a nízky pomer C/Si na prípravu vyhladzovacej vrstvy. V hornej časti tejto vrstvy pufra sa ukladala aktívna vrstva s vysokou rýchlosťou rastu (30 μm/h) pomocou vyššieho pomeru C/Si. Vyvinutý proces sa potom preniesol do reaktora PE1O8 nainštalovaného vo švédskom zariadení ST. Podobné parametre procesu a distribúcia plynu sa použili pre vzorky 150 mm a 200 mm. Jemné ladenie parametrov rastu bolo odložené na budúce štúdie z dôvodu obmedzeného počtu dostupných 200 mm substrátov.

Zdanlivá hrúbka a dopingový výkon vzoriek sa hodnotili pomocou FTIR a CV ortuťovej sondy. Morfológia povrchu bola skúmaná mikroskopiou s diferenciálnym interferenčným kontrastom (NDIC) podľa Nomarského a hustota defektov epivrstiev bola meraná pomocou Candela. Predbežné výsledky. Predbežné výsledky dopovania a rovnomernosti hrúbky 150 mm a 200 mm epitaxiálne pestovaných vzoriek spracovaných v prototypovej komore sú znázornené na obrázku 2. Epivrstvy rástli rovnomerne pozdĺž povrchu 150 mm a 200 mm substrátov s variáciami hrúbky (σ/priemer ) len 0,4 % a 1,4 % a variácie dopingu (σ-priemer) len 1,1 % resp. 5,6 %. Vnútorné dopingové hodnoty boli približne 1×1014 cm-3.

Obrázok 2 Hrúbka a dopingové profily 200 mm a 150 mm epiwaferov.

Opakovateľnosť procesu sa skúmala porovnaním variácií v prevádzke, čo malo za následok zmeny hrúbky až 0,7% a variácie dopingu až 3,1%. Ako je znázornené na obrázku 3, nové výsledky procesu 200 mm sú porovnateľné s najmodernejšími výsledkami, ktoré sa predtým získali na 150 mm reaktorom PE1O6.

Obrázok 3 hrúbka vrstvy po vrstve a dopingová uniformita vzorky 200 mm spracovaná prototypskou komorou (hore) a najmodernejšou vzorkou 150 mm vyrobenou pomocou PE1O6 (dole).

Pokiaľ ide o povrchovú morfológiu vzoriek, NDIC mikroskopia potvrdila hladký povrch s drsnosťou pod detekovateľným rozsahom mikroskopu. Výsledky PE1O8. Tento proces sa potom preniesol do reaktora PE1O8. Hrúbka a dopingová uniformita epiwaferov 200 mm sú znázornené na obrázku 4. Epilayers rastú rovnomerne pozdĺž povrchu substrátu s hrúbkou a dopingovými variáciami (σ/priemer) až 2,1% a 3,3%.

Obrázok 4 Hrúbka a profil dopovania 200 mm epiwaferu v reaktore PE1O8.

Na skúmanie hustoty defektov epitaxne pestovaných plátkov sa použila kandela. Ako je znázornené na obrázku. Celkové hustoty defektov 5 až 1,43 cm-2 a 3,06 cm-2 boli dosiahnuté na vzorkách 150 mm a 200 mm. Celková dostupná plocha (TUA) po epitaxii bola preto vypočítaná na 97 % a 92 % pre 150 mm a 200 mm vzorky. Stojí za zmienku, že tieto výsledky boli dosiahnuté až po niekoľkých behoch a je možné ich ešte zlepšiť jemným doladením parametrov procesu.

Obrázok 5 Mapy defektov Candela 6 μm hrubých 200 mm (vľavo) a 150 mm (vpravo) epiwaferov pestovaných s PE1O8.

Záver

Tento článok predstavuje novo navrhnutý PE1O8 horúcostenný CVD reaktor a jeho schopnosť vykonávať rovnomernú 4H-SiC epitaxiu na 200 mm substrátoch. Predbežné výsledky na 200 mm sú veľmi sľubné, s odchýlkami hrúbky len 2,1 % na povrchu vzorky a odchýlkami dopingového výkonu iba 3,3 % po povrchu vzorky. Vypočítalo sa, že TUA po epitaxii je 97 % a 92 % pre vzorky 150 mm a 200 mm a predpokladá sa, že TUA pre 200 mm sa v budúcnosti zlepší s vyššou kvalitou substrátu. Vzhľadom na to, že tu uvedené výsledky na 200 mm substrátoch sú založené na niekoľkých súboroch testov, veríme, že bude možné ďalej zlepšovať výsledky, ktoré sa už približujú k najnovším výsledkom na 150 mm vzorkách. jemné doladenie rastových parametrov.